Фильтр нижних частот это: Что такое фильтр нижних частот? Руководство по основам пассивных RC фильтров

В области электромагнитной совместимости цель фильтра состоит в том, чтобы создать путь с низким импедансом для возврата РЧ-тока к локальному источнику энергии и/или обеспечить высокий импеданс для предотвращения протекания РЧ-токов по кабель. Эти так называемые фильтры электромагнитных помех часто используются вместе с надлежащим экранированием для обеспечения соответствия требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС) для электрических/электронных продуктов. Несомненно, наиболее полезным типом фильтра, используемым в работе с ЭМС, является пассивный фильтр нижних частот.

Пассивные фильтры состоят из пассивных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, и не имеют усиливающих элементов (транзисторов, операционных усилителей и т. д.), поэтому не имеют усиления сигнала, поэтому их выходной уровень всегда меньше входного.

Фильтры названы так по частотному диапазону сигналов, которые они пропускают через себя, блокируя или «ослабляя» остальные. Наиболее часто используемые конструкции фильтров (см. также рис. 1.):

• Фильтр нижних частот — фильтр нижних частот пропускает только низкочастотные сигналы от 0 Гц до частоты среза, точка ƒc пропускает, блокируя сигналы выше.
• Фильтр высоких частот  – фильтр высоких частот пропускает только высокочастотные сигналы от его частоты среза, точки ƒc и выше до бесконечности, блокируя сигналы более низких частот.
• Полосовой фильтр  – полосовой фильтр позволяет проходить сигналам, попадающим в определенную полосу частот между двумя точками, при этом блокируя как более низкие, так и более высокие частоты по обе стороны от этой полосы частот.
• Полосовой заграждающий фильтр – полосовой заграждающий фильтр является обратным полосовому фильтру и пропускает сигналы как на более низких, так и на более высоких частотах по обе стороны полосы блокирующих частот.

Простой Пассивные фильтры первого порядка (1-й порядок) могут быть изготовлены путем последовательного соединения одного резистора и одного конденсатора через входной сигнал, ( V _IN  ) с выходом фильтра, ( V _OUT ), взятые из соединения этих двух компонентов (см. Рис. 2. для примера фильтра нижних частот первого порядка).

В зависимости от того, каким образом мы подключаем резистор и конденсатор по отношению к выходному сигналу, определяется тип конструкции фильтра, в результате получается либо фильтр нижних частот, либо фильтр высоких частот.

Поскольку функция любого фильтра состоит в том, чтобы позволить сигналам данной полосы частот проходить без изменений, в то же время ослабляя или ослабляя все остальные, которые нежелательны, мы можем определить характеристики амплитудной характеристики идеального фильтра, используя кривую идеальной частотной характеристики. из четырех основных типов фильтров, как показано на рисунке.

Идеальные кривые отклика фильтра

Рис. 1. идеальные кривые отклика фильтра

Фильтры можно разделить на два различных типа: активные фильтры и пассивные фильтры. Активные фильтры содержат усиливающие устройства для увеличения мощности сигнала, в то время как пассивные не содержат усиливающих устройств для усиления сигнала. Поскольку в конструкции пассивного фильтра есть два пассивных компонента, выходной сигнал имеет меньшую амплитуду, чем соответствующий входной сигнал, поэтому пассивные RC-фильтры ослабляют сигнал и имеют усиление меньше единицы (единицы).

Фильтр нижних частот может представлять собой комбинацию емкости, индуктивности или сопротивления, предназначенную для обеспечения сильного ослабления выше указанной частоты и незначительного ослабления ниже этой частоты или его отсутствия. Частота, на которой происходит переход, называется «граничной» или «угловой» частотой.

Простейшие фильтры нижних частот состоят из резистора и конденсатора, а более сложные фильтры нижних частот имеют комбинацию последовательных катушек индуктивности и параллельных конденсаторов. В этом уроке мы рассмотрим простейший тип — пассивный двухкомпонентный RC-фильтр нижних частот.

Пассивный фильтр нижних частот

Фильтр нижних частот представляет собой схему, которая может модифицировать, изменять форму или подавлять все нежелательные высокие частоты электрического сигнала и принимать или пропускать только те сигналы, которые нужны разработчику схемы. Другими словами, они «отфильтровывают» нежелательные сигналы, а идеальный фильтр отделяет и пропускает синусоидальные входные сигналы в зависимости от их частоты. В низкочастотных приложениях (до 100 кГц) пассивные фильтры обычно строятся с использованием простых цепей RC (резистор-конденсатор), в то время как высокочастотные фильтры (выше 100 кГц) обычно изготавливаются из компонентов RLC (резистор-индуктор-конденсатор).

RC-фильтр нижних частот

все сигналы с частотами выше частоты среза. Самый простой тип фильтра нижних частот называется RC-фильтром или фильтром L-типа из-за его формы, с резистивным элементом в сигнальной линии и конденсатором, расположенным от линии к шасси, эти два элемента схемы образуют форму перевернутого L.

В RC-фильтре нижних частот частота среза возникает при резонансе, когда емкостное реактивное сопротивление (Xc) равно сопротивлению (Xc = 1/2πfC или 1/wC, w = 2πf). Иногда резистор не требуется, и для подавления любого нежелательного шума может быть достаточно всего одного конденсатора, помещенного на линии к опорному заземлению без установленного резистора. Устройство, представляющее цепь с высоким сопротивлением переменному току и в то же время не влияющее на качество сигнала, может использоваться в ситуациях, когда падение напряжения на последовательном резисторе недопустимо. Это устройство называется ферритовой бусиной. Помимо ограничения по частоте, ферриты также могут легко насыщаться, когда в цепи присутствует слишком большой постоянный ток. Ферриты неэффективны, если они насыщены, и если постоянный ток слишком велик, использование феррита в качестве элемента в фильтре нижних частот может оказаться нецелесообразным. Кроме того, в зависимости от того, насколько высок импеданс источника или нагрузки, требующей фильтрации, ферриты могут не работать, поскольку они считаются низкоимпедансными и не будут работать, если импеданс цепи выше, чем их импеданс.

Базовые топологии фильтров

Помимо пассивного фильтра L-типа, существует несколько других базовых конфигураций фильтров. Эти многоэлементные фильтры полезны в ситуациях, когда задействованный диапазон частот слишком велик и невозможно успешно полностью ослабить однокомпонентный фильтр, или сигнал имеет слишком большую амплитуду и один фильтрующий элемент не обеспечивает достаточного ослабления. Добавление второго реактивного компонента увеличит спад до 12 дБ/октаву или 40 дБ/декаду. Эти типы фильтров называются различными именами, такими как двухполюсные, двухступенчатые, двухэлементные фильтры или фильтры второго порядка. Фильтры с тремя реактивными компонентами обеспечивают затухание 18 дБ/октаву или 60 дБ/декаду. Четыре реактивных составных фильтра обеспечат ослабление 24 дБ/октаву или 80 дБ/декаду и так далее.

Кроме того, в зависимости от импеданса источника и нагрузки цепи, требующей фильтрации, используются различные формы фильтров. Эти различные типы используются для несоответствия импедансов между входным и выходным импедансами источника цепи и нагрузки, а также входными и выходными импедансами фильтра. Как и фильтр L-типа, эти два других типа названы в честь их визуальной формы на принципиальных схемах. Первый - это π-фильтр, а второй - фильтр нижних частот T-фильтра.

Π Фильтр

Фильтр нижних частот π выглядит как греческая буква π. Он имеет конденсатор из линии, который нужно отфильтровать, для возврата, элемент последовательного включения в цепи (резистор, катушка индуктивности или феррит), а затем еще один конденсатор из линии, который нужно отфильтровать, для возврата.

T Фильтр

Фильтр нижних частот T выглядит как буква T. Он имеет внутрисхемный элемент (резистор, катушка индуктивности или феррит), установленный на фильтруемой линии, конденсатор, установленный на обратной линии, и затем другой внутрисхемный элемент (резистор, катушка индуктивности или феррит).

Несоответствие импеданса

Как ускользнуло ранее, при выборе правильной конфигурации фильтра (L, π или T) необходимо учитывать импеданс как источника, так и нагрузки. Если вы пытаетесь установить фильтр нижних частот в цепь для подавления нежелательных излучений и определяете, что это не решает проблему, обязательно проверьте, существует ли несоответствие импеданса. Последовательный компонент с высоким импедансом должен быть обращен к компоненту с низким импедансом (т. е. конденсатору) и наоборот. Вы можете спросить себя: «Что считается низкоимпедансным, а что высокоимпедансным?» Как правило, полное сопротивление менее 100 Ом считается низким, а полное сопротивление более 100 Ом считается высоким.

Выбор частоты среза (fco)

Важно также убедиться, что добавление импеданса фильтра в цепь не создает проблемы целостности сигнала. Чтобы этого не произошло, обязательно выберите частоту среза для фильтра, которая также не ослабляет предполагаемые сигналы, используемые в цепи. Чтобы предотвратить возникновение этой проблемы, постарайтесь поддерживать по крайней мере 5-ю гармонику предполагаемого сигнала (идеально подходит 10-я гармоника).

Шумовые токи дифференциального режима (DM) и синфазного режима (CM)

Сигнальные токи DM — это те противофазные токи, которые передают нужные данные, тогда как токи CM-сигналов находятся в фазе, не передают ценных данных, что-такое- всегда. Хотя они намного ниже по амплитуде, чем токи DM, токи CM являются основными причинами нормативных проблем, связанных с испытаниями излучаемых и кондуктивных помех.

В идеальном мире сигналы DM перемещаются по одной стороне дорожки цепи, а равный и противоположный сигнал DM возвращается по другой стороне дорожки. Чтобы предотвратить преобразование DM в CM, компоновка печатной платы должна быть идеальной, и не должно быть разрывов схемы. Это гарантирует, что произойдет полное гашение сигналов DM и не будет возникать ток CM.

Если требуется подавление помех от DM, можно использовать конденсаторы между отходящей и обратной линиями и/или катушку индуктивности последовательно с отходящей или обратной линией. Это называется фильтрацией DM. Если установка фильтра DM не решает проблему шума, то источником помех может быть шум CM.

Сигналы CM — это сигналы, существующие как на исходящих, так и на обратных дорожках канала. Поскольку они синфазны, они не компенсируют друг друга, а достаточно существенно суммируются, чтобы вызвать проблемы с электромагнитными помехами. Поскольку шум CM присутствует между линией и землей. Фильтрация CM часто включает в себя размещение конденсаторов между каждой сигнальной линией и опорной землей. а иногда также с использованием в цепи катушки индуктивности СМ. Любые катушки индуктивности CM, помещенные в цепь, воздействуют только на имеющиеся сигналы CM, они не влияют на сигналы DM. Если установка CM-фильтра не решает проблему шума, то источником помех может быть DM-шум.

Паразиты

При попытке использовать фильтр нижних частот для подавления электромагнитных помех необходимо также учитывать неидеальное поведение компонентов, из которых состоит фильтр. Фактические компоненты пассивного фильтра, такие как конденсатор, также содержат некоторую индуктивность, а катушка индуктивности содержит некоторую емкость. Эти паразитные элементы конденсаторов и катушек индуктивности ограничивают их полезную полосу пропускания. Например, реактивное сопротивление конденсатора уменьшается до тех пор, пока не достигнет собственной резонансной частоты по мере увеличения частоты. Выше точки собственной резонансной частоты конденсатор становится индуктивным и действует как индуктор из-за паразитной индуктивности, обнаруженной в его металлических пластинах. Аналогичная ситуация имеет место в индукторах. Эти паразитные эффекты сильнее выражены в конденсаторах и катушках индуктивности с выводами, чем в типах, изготовленных по технологии поверхностного монтажа (SMT), которые практически не имеют длины выводов.

Вопросы компоновки и размещения

Правильная компоновка и размещение могут стать критическим фактором при попытке эффективно использовать пассивные фильтры нижних частот для подавления электромагнитных помех. Длины дорожек, превышающие необходимые, добавляют дополнительную индуктивность и импеданс, которые снижают эффективность фильтра, аналогично тому, что происходит, как описано выше в отношении паразитов. Поэтому очень важно, чтобы соединения были короткими. Это означает размещение компонентов фильтра как можно ближе к фильтруемой цепи и не упускать из виду длину обратной дорожки. Размещать фильтр в каком-то неясном месте далеко от источника мешающего сигнала в большинстве ситуаций не рекомендуется.

В дополнение к коротким соединениям обратите внимание на трассировку или прокладку проводов, которые допускают слишком сильную емкостную и индуктивную связь с другими зашумленными сигналами или дорожками. Чтобы предотвратить возникновение этой проблемы перекрестных помех, поместите компоненты фильтра прямо на входной разъем (входы/выходы и входы питания). Размещение фильтра глубже внутри схемы или системы просто напрашивается на неприятности. Когда надлежащее разделение не поддерживается, входная и выходная секции обходятся, и фильтр больше не действует. Как и во многих других проблемах, возникающих при проектировании ЭМС и поиске и устранении неполадок, не полагайтесь на землю как на окончательный путь с нулевым импедансом и поглотителем шума. Гораздо лучше понимать путь протекания тока и сохранять площадь контура небольшой.

Заключение

Фильтры нижних частот являются наиболее широко используемым типом фильтров в работе по электромагнитной совместимости. Существует несколько различных конфигураций на выбор в зависимости от нескольких факторов, включая частоту предполагаемых сигналов, импедансы источника и нагрузки, а также источники синфазного или дифференциального шума, присутствующие в цепи. Факторы, которые делают фильтры нижних частот неэффективными, включают неидеальное поведение пассивных компонентов, паразитные элементы схемы, слишком большой постоянный ток, присутствующий в цепях, в которых используются ферриты, использование фильтра со слишком низкой частотой среза, что приводит к сильному ослаблению полезных сигналов. , а также плохое расположение и размещение.

Рекомендуемое изображение: частотная характеристика фильтра нижних частот 1-го порядка; Источник кредита: Electronics Tutorials

Ссылки

1. Archambeault, PCB Design for Real-World EMI Control, Kluwer Academic Publishers, 2002
2. Френзель-младший, Принципы систем электронных коммуникаций, четвертое издание, McGraw-Hill, 2016 г.